微生物菌肥對鹽堿地不同作物節(jié)水效應(yīng)研究

郭鵬程 軒曉博 封碩 鮑珊珊 裴向陽

摘 要：為探究微生物菌肥對鹽堿地農(nóng)業(yè)節(jié)水的影響作用，在黃河上游的河套灌區(qū)開展田間小區(qū)試驗，選取向日葵和玉米作為典型作物，采用有底測坑裝置控制地下水水位，分期精確調(diào)控灌水量。通過設(shè)置不同節(jié)水梯度，研究了施用微生物菌肥對土壤含水率、土壤孔隙度、土壤容重、作物產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明：在施用微生物菌肥、生長期灌溉水量較常規(guī)節(jié)約１０％的情況下，土壤的含水率均有所提升，變化幅度為１０％～１６％，土壤孔隙度和容重變化不明顯，土壤保水性有所增強(qiáng)，向日葵增產(chǎn)率達(dá)２５％，玉米增產(chǎn)率達(dá)２８．４％，農(nóng)作物品質(zhì)變化不明顯。

關(guān)鍵詞：河套灌區(qū)；鹽堿地；微生物菌肥；節(jié)水

中圖分類號： Ｑ９３９．９６ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０７．０２３

引用格式：郭鵬程，軒曉博，封碩，等．微生物菌肥對鹽堿地不同作物節(jié)水效應(yīng)研究［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（７）：１２５－１２９．

黃河流域水資源自然稟賦條件較差，水資源短缺是流域最大的矛盾。黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展重大國家戰(zhàn)略提出，把水資源作為最大的剛性約束，全面實施深度節(jié)水控水行動，堅持節(jié)水優(yōu)先，落實以水定城、以水定地、以水定人、以水定產(chǎn)舉措。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，２０２０ 年黃河流域農(nóng)業(yè)用水占比高達(dá)６５．３％［１］ 。大規(guī)模的農(nóng)業(yè)用水，伴隨著較低的用水效率，已成為當(dāng)前黃河流域農(nóng)業(yè)灌溉面臨的最大困境和挑戰(zhàn)，也進(jìn)一步加劇了黃河流域的水資源短缺狀況。因此，在黃河流域強(qiáng)化農(nóng)業(yè)節(jié)水增效、發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)，已成為水資源管理十分迫切的要求。

河套灌區(qū)位于我國西北內(nèi)陸，地處黃河上游段，屬我國三大灌區(qū)之一。河套灌區(qū)是黃河流域的用水大戶，對黃河的依賴程度高，屬于沒有黃河便沒有農(nóng)業(yè)的地區(qū)。灌區(qū)年引黃水量約５０ 億ｍ３，占黃河過境水量的１／７。由于灌區(qū)地勢低，處于斷陷盆地，長期灌排不配套，地下水礦化度高、含鹽量大，加之氣候干旱，蒸騰作用大，鹽分于地表聚集，導(dǎo)致土壤積鹽［２－３］ ，使河套灌區(qū)成為內(nèi)蒙古鹽漬化土壤主要分布區(qū)之一，也是我國西北最主要的農(nóng)耕區(qū)與生態(tài)脆弱區(qū)。目前河套灌區(qū)耕地鹽堿化面積３９．４ 萬ｈｍ２，占耕地面積的６８．６％，以中重度鹽堿化為主［４］ 。灌區(qū)引黃水主要用途：一部分用于秋澆春灌，壓洗耕作層土壤鹽分，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造良好的土壤條件，這部分用水量相對較大；另一部分，用于農(nóng)作物的正常生長期耗水。近些年河套灌區(qū)針對節(jié)水開展了大量的工作，實施了一大批節(jié)水工程，雖然取得了較為顯著的成效，但仍存在許多“瓶頸”問題。與其他區(qū)域不同的是，河套灌區(qū)土壤鹽堿化的問題長期存在，為了保障國家糧食安全，降低鹽堿土對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，普遍采用大水壓鹽的方式來改善耕作條件，這可從近幾年該地區(qū)用水量居高不下、實際引黃水量超過額定分配指標(biāo)得到佐證。節(jié)水與抑鹽之間的矛盾始終存在，土壤鹽堿化是灌區(qū)節(jié)水的主要限制性因素，節(jié)水工作遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。因此，需另辟蹊徑，從根本上解決問題，“節(jié)水先治土，治土先鹽堿”逐漸成為該地區(qū)破解節(jié)水難題的基本共識。

從２０ 世紀(jì)至今，全球的專家學(xué)者對改良鹽堿土壤的措施和機(jī)制研究取得了顯著的成果，其中部分措施方案例如微生物菌劑在實際應(yīng)用中已經(jīng)起到了良好的效果并得到推廣［５］ 。采用微生物技術(shù)治理鹽堿化土地，通過有益微生物活化土壤中被固化的養(yǎng)分，改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，不僅可以增強(qiáng)土壤的保水性，降低灌溉用水量，還可減少化肥施用量，同步實現(xiàn)節(jié)水、抑鹽、減污等多重目標(biāo)。為深入研究微生物技術(shù)在河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水中的實際應(yīng)用效果，本課題組在灌區(qū)開展３ 期（３ ａ）田間試驗，驗證該技術(shù)推廣的可行性和有效性，以期為河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水開辟新的途徑，有力助推黃河流域生態(tài)保護(hù)和農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

１ 試驗內(nèi)容

１．１ 試驗區(qū)概述

試驗區(qū)（東經(jīng)１０７°２４′、北緯４０°４６′）位于河套灌區(qū)中部曙光試驗站，土壤屬于輕度鹽堿土，試驗小區(qū)土壤容重１．４３～１．８０ ｇ／ ｃｍ３；土壤耕作層（０～４０ ｃｍ）有機(jī)質(zhì)含量為８．０３～１１．２９ ｇ／ ｋｇ、全氮含量為０．５９～０．７５ ｇ／ ｋｇ、全磷含量為０．１７～０．４３ ｇ／ ｋｇ、全鉀含量為１１．８６～１８．７２ ｇ／ ｋｇ、全鹽含量為０．７５～２．８２ｇ／ ｋｇ、ｐＨ 值為７．５９～８．４５。試驗區(qū)共有６ 組樣地測坑，測坑設(shè)有遮雨棚，試驗田不接受自然降水，如圖１ 所示。每組測坑面積２ ｍ×３．３ ｍ＝６．６ ｍ２，測坑地下室裝有地下水位控制和土壤溶液提取裝置，裝有６ 套瑪利奧托瓶，采用當(dāng)?shù)氐叵滤a(bǔ)充瓶中水分，根據(jù)研究需要精確調(diào)控地下水埋深，準(zhǔn)確測量每日地下水補(bǔ)給量。本研究所有試驗地下水埋深控制在１．５ ｍ。

１．２ 材料與方法

作物選擇當(dāng)?shù)佧}堿地適生作物向日葵（ 品種ＳＨ３６３）、玉米（品種西蒙５６８）；試驗所需常規(guī)肥料為磷酸二銨、硫酸鉀、尿素，微生物菌肥選用ＥＴＳ。

土壤理化指標(biāo)和養(yǎng)分狀況于向日葵和玉米播種前、收獲后各測定１ 次；采用水泵、水表定量控制灌溉水量并記錄灌溉的時間等。每個生育期測定作物株高、莖粗、葉面積；向日葵分為地上（稈徑）和地下（根系）２部分分別收取樣品，稱量各部分鮮重。植物樣品在１０５ ℃殺青３０ ｍｉｎ 后７５ ℃烘至恒重，稱其干重。記錄作物收獲株數(shù)，籽粒自然晾干后稱重，從而折算出產(chǎn)量。

１．３ 試驗設(shè)計

本次試驗常規(guī)化肥施用量以當(dāng)?shù)赝杲?jīng)驗為標(biāo)準(zhǔn)（磷酸二銨３００ ｋｇ／ ｈｍ２、硫酸鉀１５０ ｋｇ／ ｈｍ２、尿素４０５ ｋｇ／ ｈｍ２），微生物菌肥用量按前期試驗最佳施用量設(shè)定（見表１、表２），向日葵和玉米分別設(shè)置３ 種不同節(jié)水處理試驗。其中：向日葵試驗組分別記為節(jié)水１０％（ＣＴ１）和節(jié)水２０％（ＣＴ２），固體微生物菌肥于播前一次性施入，液體微生物菌劑分２ 次隨水施入（第１ 次和第２ 次灌水各１０ Ｌ），對照組記為ＣＴ（不節(jié)水，不施用微生物菌劑）；玉米試驗以當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)灌溉水量（３ ３７５ ｍ３ ／ ｈｍ２，生育期進(jìn)行３ 次灌溉）為對照組，記為ＣＹ，分別以節(jié)水１０％、２０％設(shè)置節(jié)水梯度ＣＹ１ 和ＣＹ２。灌溉方式為地面灌溉，田間管理與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶管理一致。有底測坑試驗具體參數(shù)見表１、表２，有底測坑小區(qū)平面布置見圖２。

玉米在２０２１ 年４ 月底進(jìn)行播種，共進(jìn)行２ 次灌水、５ 次定株測量；向日葵在２０２１ 年６ 月初進(jìn)行播種，共進(jìn)行２ 次灌水（其中播前１ 次）、５ 次定株測量。灌水前和灌水后第３、５、７ ｄ 測定土壤含水率，并進(jìn)行灌后土壤及排水樣的采集，在作物收割后進(jìn)行測產(chǎn)。

１．４ 數(shù)據(jù)分析

采用ＳＰＳＳ２２．０、Ｏｒｉｇｉｎ ２０２２ 等軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、計算和分析，并對灌溉作物的節(jié)水量、作物產(chǎn)量、土壤含水率、土壤孔隙度、土壤容重等進(jìn)行差異顯著性分析。

２ 結(jié)果分析

２．１ 土壤理化性狀

分別從土壤含水率、土壤孔隙度、土壤容重、土壤ｐＨ 值、土壤全鹽含量、土壤養(yǎng)分含量等方面對不同處理的土壤樣品進(jìn)行分析。

２．１．１ 土壤含水率

不同試驗組土壤含水率如圖３（ａ）所示。向日葵試驗組中，施用微生物菌肥的所有處理的土壤含水率均顯著高于對照組，其中ＣＴ２ 處理的含水率最高（為１３．０６％）、較對照組提升２９．１％，ＣＴ１ 處理的含水率為１２．３％、較對照組提升２１．５％。玉米試驗組中，施加微生物菌肥所有處理的土壤含水率均高于對照組，其中ＣＹ１ 處理含水率最高、較對照組提升１１．６％，ＣＹ２ 處理較對照組提升３．４％。這表明微生物菌肥可通過改善土壤理化性質(zhì)，增強(qiáng)土壤保水性，減少水分流失，提高土壤含水率［６］ ，達(dá)到良好的節(jié)水效果。

２．１．２ 土壤孔隙度

向日葵和玉米試驗組中所有處理的土壤孔隙度與對照組均無顯著差異［見圖３（ｂ）］，這是因為土壤孔隙度的改變需要一定時間，而本試驗期限為１ ａ，微生物菌肥對土壤孔隙度的影響有限。

２．１．３ 土壤容重

向日葵和玉米試驗組中所有處理的土壤容重與對照組均無顯著差異［見圖３（ｃ）］，這說明微生物菌肥對土壤結(jié)構(gòu)的改變是一個長期的過程，為期１ ａ 的試驗中微生物菌肥對土壤容重的影響并不明顯。

２．１．４ 土壤ｐＨ 值

向日葵和玉米的所有試驗組土壤ｐＨ 值并無明顯差異，這表明本試驗中施用微生物菌肥后，節(jié)水處理對土壤ｐＨ 值的影響不大，如圖３（ｄ）所示。

２．１．５ 土壤全鹽含量

土壤全鹽含量指土壤中可溶性鹽分陰陽離子的總和［見圖３（ｅ）、表３］，向日葵和玉米試驗組中，施用微生物菌肥＋節(jié)水處理的土壤全鹽含量較對照組均顯著降低至輕度鹽堿水平。其中：向日葵組中ＣＴ１ 和ＣＴ２土壤全鹽含量較對照組分別下降２６．１４％和３８．２５％；玉米組中ＣＹ１ 和ＣＹ２ 土壤全鹽含量較對照組分別下降３５．０６％和３５．７３％。原因可能是微生物在自身生長繁殖過程中可以產(chǎn)生大量的黏膠和多糖等物質(zhì)，這些物質(zhì)促進(jìn)土壤團(tuán)粒形成，加速土壤淋鹽作用，通過抑制返鹽降低土壤表層鹽分［７］ 。此外，還有研究認(rèn)為微生物菌肥可以改善作物根系環(huán)境，促進(jìn)根系對水分和營養(yǎng)鹽的吸收，從而降低土壤的鹽離子濃度［８］ 。

２．１．６ 土壤養(yǎng)分

１）水解氮。水解氮又稱堿解氮，包括無機(jī)態(tài)氮和結(jié)構(gòu)簡單能為作物直接吸收利用的有機(jī)態(tài)氮，可供作物近期吸收利用，因此也稱速效氮。玉米、向日葵土壤樣本中水解氮含量如圖４（ａ）所示，向日葵試驗組中ＣＴ１ 和ＣＴ２ 處理的土壤水解氮含量較對照組均有明顯下降，玉米試驗驗組中ＣＹ２ 的土壤水解氮含量顯著低于對照組。

２）速效磷。土壤速效磷是指土壤中可被植物吸收的磷組分。玉米、向日葵試驗組土壤樣本中速效磷含量如圖４（ｂ）所示，所有節(jié)水＋施加微生物菌肥處理的土壤速效磷含量均較對照組顯著降低。

３）速效鉀。速效鉀是指土壤中易被作物吸收利用的鉀素，包括土壤溶液鉀及土壤交換性鉀。玉米、向日葵試驗組土壤樣本中速效鉀含量如圖４（ｃ）所示，除ＣＴ２ 處理外其余處理的土壤速效鉀含量均較對照組有所下降。

４）有機(jī)質(zhì)。玉米、向日葵試驗組土壤樣本中有機(jī)質(zhì)含量如圖４（ｄ）所示，向日葵和玉米試驗組中的有機(jī)質(zhì)含量與對照組無顯著差異。

綜上所述，向日葵和玉米試驗組中，施用微生物菌肥＋節(jié)水處理后的土壤各種養(yǎng)分含量較對照組均呈顯著降低的趨勢，這說明微生物菌肥可以改善作物根系環(huán)境，顯著促進(jìn)作物對土壤速效養(yǎng)分的吸收和利用，導(dǎo)致收獲后土壤的速效養(yǎng)分含量顯著降低［９］ 。各試驗處理組的土壤有機(jī)質(zhì)含量較對照組并無明顯變化，這可能是因為微生物菌肥中含有較為豐富的有機(jī)質(zhì)成分，可以補(bǔ)充土壤中被作物吸收利用的有機(jī)質(zhì)［１０］ 。

２．２ 向日葵生長性狀及產(chǎn)量

圖５ 為不同處理的向日葵生長性狀及產(chǎn)量。施加微生物菌肥＋節(jié)水處理后，向日葵的株高、莖粗總體上與對照無顯著差異；ＣＴ１ 處理的向日葵葉片數(shù)量最多，達(dá)到１６ 個，顯著高于對照組。葉片的主要作用是進(jìn)行光合作用，因此葉片數(shù)量一定程度上反映了光合有效面積的大小和對光能截獲量的多少，從而最終影響作物產(chǎn)量的高低。由圖５（ｄ）可以看出，ＣＴ１ 處理的向日葵產(chǎn)量最高（為３ ２９１．７５ ｋｇ／ ｈｍ２ ），較對照組增產(chǎn)２５％，增幅顯著。

在施加微生物菌肥后向日葵所有節(jié)水處理產(chǎn)量均高于對照組，表明施用微生物菌肥可以達(dá)到一定的節(jié)水效果。一方面微生物菌肥促進(jìn)土壤形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，增大了土壤的孔隙度和透氣性，改善了土壤的物理結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了土壤的保水能力［１１］ ；另一方面，微生物分泌的多種物質(zhì)可以促進(jìn)作物的光合作用，減少蒸騰失水，提高了作物對水分的利用效率［１２］ ，促進(jìn)作物生長，提高產(chǎn)量。但是微生物菌肥的節(jié)水作用有限，作物的生長需要一定量的水分，過度節(jié)水會抑制作物的生長，降低產(chǎn)量，因此向日葵節(jié)水２０％處理的產(chǎn)量低于節(jié)水１０％處理的。

２．３ 玉米生長性狀及產(chǎn)量

與向日葵組試驗結(jié)果相似，玉米試驗組中施用微生物菌肥＋節(jié)水處理的玉米株高和莖粗與對照組無顯著差異［見圖６（ａ），６（ｂ）］；ＣＹ１ 處理的玉米葉面積最大，為３ ８０６ ｃｍ２，較對照組顯著提高５４．５％ ［見圖６（ｃ）］。施用微生物菌肥后，所有節(jié)水處理的玉米株高、莖粗并未顯著低于對照組，這說明微生物菌肥可以達(dá)到部分節(jié)水效果，即使節(jié)水２０％，玉米的生長狀況仍未受到明顯影響。

各處理玉米產(chǎn)量如圖６（ｄ）所示，ＣＹ１ 處理玉米產(chǎn)量最高（為６ ０４８．０８ ｋｇ／ ｈｍ２ ），較對照組增產(chǎn)２８．４％，增幅顯著。ＣＹ１ 和ＣＹ２ 處理的玉米產(chǎn)量較對照組均有提升，表明微生物菌肥有良好的增產(chǎn)效果，在節(jié)水２０％的情況下，玉米的產(chǎn)量仍能保持較高水平。而玉米在生長過程中也需要一定的水分，因此過度節(jié)水的處理組（節(jié)水２０％）玉米產(chǎn)量受到一定程度影響，顯著低于節(jié)水１０％處理的。

３ 結(jié)論

施用微生物菌肥對河套灌區(qū)鹽堿化土壤進(jìn)行改良，通過田間試驗探討其對作物在鹽堿化土壤生長的節(jié)水效應(yīng)。主要結(jié)論如下：

１）施用微生物菌肥可以顯著提高向日葵和玉米處理組的土壤含水率，達(dá)到良好的節(jié)水效果，即使節(jié)水２０％，土壤的含水率仍顯著高于對照組。

２）施用微生物菌肥可以通過增加土壤團(tuán)粒或者改善作物根系環(huán)境等作用促進(jìn)作物對鹽離子的吸收，從而降低土壤全鹽含量。向日葵試驗組中，節(jié)水２０％的處理對土壤全鹽含量降低作用最為明顯。玉米試驗組中，節(jié)水１０％和節(jié)水２０％均能顯著降低土壤全鹽含量。

３）微生物菌肥可以促進(jìn)作物對土壤速效養(yǎng)分的吸收，同時達(dá)到較好的節(jié)水效應(yīng)。整體而言，向日葵和玉米試驗組中節(jié)水處理并不會影響作物對土壤速效養(yǎng)分的吸收利用。

４）微生物菌肥施用后，即使節(jié)水２０％，向日葵和玉米的生長狀況及產(chǎn)量也不會受到顯著影響；在節(jié)水１０％的情況下，向日葵和玉米的產(chǎn)量均達(dá)到最大。由于微生物菌肥的節(jié)水效應(yīng)有限，作物生長需要一定量的水分，因此節(jié)水２０％處理的產(chǎn)量明顯低于節(jié)水１０％處理的。

通過以上研究認(rèn)為，微生物技術(shù)在河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水方面具有一定的效果，未來隨著試驗的深入，可結(jié)合灌區(qū)農(nóng)業(yè)“四控”要求，開展集成技術(shù)研究與推廣。

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